APPLICAZIONI
Sistemi di stabilizzazione
navale: criteri di
funzionamento oleodinamico
L’assetto in planata
del maxi yacht Sanlorenzo 108 con le pinne
di stabilizzazione in navigazione.
I sistemi di stabilizzazione
sviluppati da CMC Marine si
basano sull’effetto smorzante
di pinne stabilizzatrici il cui
movimento è pilotato dalla
cpu del controllore elettronico
e azionate da attuatori
meccanici attraverso un sistema
oleodinamico.
Marco Ballerio
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Oleodinamica Pneumatica - novembre 2010
A
zienda italiana con sede a
Como, CMC Marine progetta e realizza sistemi di
automazione e di stabilizzazione attiva per navi e
maxi yacht, assumendo
un ruolo di riferimento a livello internazionale, risultato di approfondite esperienze e
costanti investimenti in ricerca tecnologica.
Abbiamo incontrato l’ing. Alessandro Cappiello, fondatore e presidente di CMC Marine, il quale ci ha introdotto le funzioni e
descritto gli elementi chiave dell’impianto
oleodinamico applicato al sistema di regolazione e stabilizzazione navale.
Quali sono i criteri di funzionamento del
sistema di stabilizzazione navale?
«I sistemi di stabilizzazione sviluppati da
CMC Marine si basano sull’effetto smorzante di pinne stabilizzatrici il cui movimento è
pilotato dalla cpu del nostro controllore elet-
tronico, e azionate da attuatori meccanici attraverso un sistema oleodinamico. La piattaforma inerziale e i vari sensori che analizzano il moto e l’oscillazione dell’imbarcazione,
vengono elaborati dalla centralina elettronica
che invia i segnali processati ai componenti e
all’attuatore dell’impianto oleodinamico, che
devono azionare e regolare in velocità e posizione le pinne stabilizzatrici, contrastando e
smorzando le oscillazioni dello scafo. I moderni sistemi di regolazione devono stabilizzare la nave sia in movimento, sia quando è
ferma “all’ancora”. I criteri di funzionamento
dell’impianto in queste due modalità, sono
decisamente differenti. Quando lo scafo è in
navigazione, le pinne eseguono movimenti
di modulazione, con bassi valori di velocità
angolari, intorno ai 22 – 25 gradi al secondo,
richiedendo all’impianto una modesta dinamica di regolazione. Quando invece l’imbarcazione è all’ancora, viene a mancare l’effetto di portanza delle pinne, generato dalla
Fig. 1 – Schema a blocchi del principio di
funzionamento del sistema di stabilizzazione
sviluppato da CMC Marine.
velocità del flusso sul profilo alare in navigazione. Quindi all’ancora l’azione smorzante
dei moti di oscillazione dello scafo, si ottiene
muovendo rapidamente le pinne, che devono raggiungere velocità angolari tra i 45 e i
60 gradi al secondo, con forti accelerazioni e
decelerazioni, richiedendo all’impianto una
regolazione di tipo “impulsiva”, con rapide
risposte dinamiche.»
Quali sono le peculiarità e le intensità delle forze che deve gestire un impianto oleodinamico di stabilizzazione navale, e con
quale tolleranza di regolazione?
«In un sistema di stabilizzazione navale,
l’impianto oleodinamico deve azionare carichi di elevata intensità dovendo controllare forti inerzie. Per muovere una pinna
di 1,80 metri occorrono forze dell’ordine di
diverse tonnellate con coppie all’asse dell’attuatore di 8000 – 10000 Newton/metro. La
caratteristica tipica del sistema oleodinamico, adatta al nostro tipo di applicazione in
navigazione, consiste nel muovere carichi
elevati con basse potenze. L’aspetto critico
dell’oleodinamica applicata a un sistema di
stabilizzazione navale, riguarda la risposta
dinamica dei suoi componenti, ovvero la necessità di eseguire una regolazione in velocità e posizione delle pinne, sopportando accelerazioni e decelerazioni di carichi gravosi
e con elevate inerzie, in piccoli intervalli di
tempo. Quindi la caratteristica di funzionamento di un impianto oleodinamico per la
stabilizzazione navale, consiste nel controllare con una dinamica rapida, forze di elevata intensità; infatti, oltre a gestire con velocità modeste le forti coppie di forze smorzanti
della regolazione in modulazione durante la
navigazione, l’hardware oleodinamico deve
essere in grado di muovere velocemente le
pinne, in fase con i ritmi sostenuti dal controllore elettronico, per la modalità di stabilizzazione all’ancora. Necessita quindi un
sistema oleodinamico con una componentistica robusta, e caratterizzata da risposte dinamiche rapide. Aumentando accelerazione e decelerazione delle pinne stabilizzatrici,
aumenta l’intensità delle forze e delle inerzie
da gestire velocemente, rendendo ancora più
critico il controllo dell’intervallo dell’angolo
di posizione. Per quanto riguarda le tolleran-
Fig. 2 – Particolare del blocco pinna
del sistema di stabilizzazione con
la coppia di cilindri oleodinamici
connessi al bilanciere dell’attuatore
meccanico di azionamento. Il sistema
di stabilizzazione sviluppato da CMC
è composto da una coppia o da due
coppie di pinne, in funzione del tipo e
della lunghezza dello scafo.
ze, nel nostro campo d’applicazione è sufficiente rispettare la
posizione angolare indicata dal
controllore elettronico, con uno
scostamento di ± 5%.»
Quale è stato l’approccio di CMC per
sviluppare l’impianto oleodinamico
di stabilizzazione navale?
«Ovviamente non siamo costruttori di
componenti oleodinamici, ma utilizzatori. Il nostro approccio è stato quello di individuare componenti standard, che inseriti in un impianto da noi ideato, potessero
soddisfare al meglio i risultati che si volevano ottenere dal nostro progetto. Quindi, per
realizzare il nostro impianto oleodinamico,
è stato fondamentale dapprima sviluppare
una metodologia che ci permettesse di analizzare, e misurare il comportamento, le caratteristiche e le risposte dinamiche di ciascun componente, attraverso il supporto di
dati tecnici forniti dai costruttori, oltre alle
analisi e prove al banco di impianti prototipo realizzati nel nostro laboratorio, investendo importanti risorse in ricerca anche
attraverso la collaborazione dell’università
di Napoli. Abbiamo quindi studiato e misu-
rato in laboratorio le caratteristiche, il comportamento e le risposte dinamiche del singolo componente oleodinamico, dal gruppo
pompante, al gruppo valvole, compreso i cilindri dell’attuatore meccanico, nelle condizioni globali di utilizzo della nostra applicazione, ovvero con regolazione modulare
e impulsiva. Abbiamo catalogato una serie
di dati e di misure dei singoli componenti,
prima e dopo essere inseriti nell’impianto
oleodinamico da noi progettato e ricreato
in laboratorio, ricavando al banco le leggi
di trasferimento e di risposta dinamica in
funzione dei differenti segnali di regolazione
inviati dal controllore. I test e le misure effettuate, ci hanno anche permesso di elaborare i
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APPLICAZIONI
Fig. 3 – Schema a blocchi dell’impianto
oleodinamico di stabilizzazione, sviluppato da
CMC Marine.
Fig. 4 – Gruppo elettropompa a portata
variabile di Bosch Rexroth; motore
elettrico 400 Vac 50 Hz. Cilindrata pompa
45cc; portata 65 litri/minuto a 1445 giri/
minuto; pressione di stand-by 18-22 bar;
pressione d’esercizio 120-140 bar. La
temperatura di trafilamento della pompa
deve essere inferiore a 80°C
dati caratteristici e le leggi matematiche di dinamica, attraverso il nostro software di simulazione del sistema di regolazione e di stabilizzazione. Il nostro approccio per dimensionare e sviluppare un impianto oleodinamico
di stabilizzazione navale, consiste quindi nel
conoscere approfonditamente le problematiche, le caratteristiche e le leggi di risposta
dinamica dei componenti oleodinamici standard da utilizzare, prima di essere realizzato e installato a bordo dello scafo, riducendo
i margini di errore e le variabili impreviste,
che dipendono dal tipo di imbarcazione. Una
particolarità della nostra applicazione consiste infatti nel fatto che ogni impianto di stabilizzazione ha caratteristiche e architetture
differenti, in quanto si deve adattare ai vari
tipi di scafi, diversi per dimensioni, materiali, tipologia di costruzione,
e comportamento dinamico.»
Mostrandoci il principio di
funzionamento, ci illustra
quali siano i componenti oleodinamici utilizzati da CMC per
l’impianto oleodinamico del sistema di stabilizzazione navale?
«Nella nostra applicazione, l’impianto oleodinamico deve trasferire energia dal gruppo
pompante ai due cilindri di ciascun bilancie-
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Oleodinamica Pneumatica - novembre 2010
re degli attuatori meccanici, che muovono
le pinne stabilizzatrici. Dovendo realizzare
azionamenti con controllo d’asse in posizione e velocità, i componenti dell’impianto devono trasmettere il fluido in modo veloce e
preciso, la cui dinamica è pilotata dai segnali
elettrici di regolazione inviati dal controllore elettronico. Per ogni pinna stabilizzatrice,
l’impianto oleodinamico è composto da una
elettropompa dell’olio a portata variabile, un
smorzatore di pressione, filtro sulla linea di
mandata, gruppo valvole con valvola proporzionale, un accumulatore precariato, e due cilindri al bilanciere dell’attuatore della pinna.
Utilizziamo componentistica standard prodotta da Bosch Rexroth. Il gruppo pompante
è in genere centralizzato per scafi di lunghezza fino a 50 metri, ma l’aspetto applicativo e
dell’architettura dell’impianto dipende esclusivamente dal tipo di imbarcazione su cui si
sta operando e dal numero di pinne stabilizzatrici (due o quattro). L’impianto tubiero
installato a bordo può utilizzare tubature rigide completamente in acciaio, e flessibili in
gomma con anima costituita da una spirale
in acciaio. Dove l’architettura interna dello
scafo lo consente, viene installato un impianto tubiero con luci di passaggio di massima
grandezza in modo da aumentare la portata
del flusso d’olio, diminuendo le resistenze e le
dissipazioni in calore. In base al tipo di scafo e
alle caratteristiche dell’impianto, utilizziamo
tubi con un diametro che varia da un minimo di 25 a un massimo di 42 millimetri. Gli
attacchi variano di conseguenza da 1 pollice
gas a 2 pollici gas.
Gruppo elettropompa a portata variabile: (figg. 4 – 5) si tratta di una pompa a pistoni assiali a portata variabile. Attraverso
una campana di accoppiamento con giunto
elastico, la pompa è azionata da un motore
elettrico alimentato a 400 Volt in corrente
alternata a 50 Hz. Il motore elettrico è comandato e regolato da un quadro di potenza attraverso un inverter, il quale consente
di effettuare la messa in marcia del motore
senza sovraccaricare i genset di bordo, oltre
ad assicurarne la regolazione dei giri e della
coppia erogata. Abbiamo inoltre verificato
che l’inverter permette di regolare il motore in modo fluido, generando meno fluttuazioni e fenomeni di pendolamento che si ri-
percuotano negativamente lungo la catena
oleodinamica, generando disturbi e rumori.
La scelta di una pompa a portata variabile è
stata fatta per ottimizzare i rendimenti contenendo l’energia assorbita, potendo regolare la portata erogata (volume d’olio al secondo) in uscita, in funzione della effettiva
richiesta istantanea dell’impianto. Inoltre la
pompa a pistoni è più silenziosa rispetto alla
tecnologia a ingranaggi o a palette. Il gruppo
pompante è montato su resilienti elastici fissati sul basamento previsto in sala macchine
o in una apposita camera d’alloggiamento
isolata, dell’imbarcazione. Come si può constatare, nello sviluppo dell’impianto oleodinamico, è stata posta particolare attenzione
allo studio della riduzione dei disturbi e dei
rumori, un aspetto fondamentale richiesto
dai cantieri per soddisfare e rispettare gli
standard di qualità del comfort di bordo che
un maxi yacht deve garantire al proprio armatore e ai suoi ospiti. La pompa a pistoni
di Bosch Rexroth utilizzata nell’impianto, ha
una cilindrata di 45cc, e una portata di 65
litri/minuto al regime di 1445 giri/minuto; il
regime massimo di rotazione è di 1450 giri/
minuto. La pompa è dotata di un sistema di
messa a scarico che consiste in un distributore (elettrovalvola) montato sul blocco di
regolazione della pompa. Tramite il distributore è possibile inviare un segnale di pilotaggio alla pompa affinché (nella messa in
moto del motore elettrico) la stessa sia in ci-
lindrata nulla a una pressione di stand-by di
18- 22 bar. Oltre al distributore ON/OFF,
il regolatore di portata DFR della pompa permette la taratura della pressione
di stand-by (portata nulla) e le regolazione della massima pressione di esercizio. La pressione media di esercizio è
approssimativamente di 120 – 140 bar.
Stabilizzatore-smorzatore di pressione: a valle del gruppo pompante,
viene inserito nella linea di mandata uno stabilizzatore-smorzatore di
pressione, con la funzione di livellare e ridurre i picchi di pressione
e la fluttuazione dell’olio, generati dalla pompa. Il livellamento di
oscillazione della pressione riduce
sensibilmente i disturbi e i rumori
lungo la catena dell’impianto. I test di misurazione dei rumori eseguiti sull’impianto
pilota in laboratorio, hanno rilevato una riduzione del rumore da 68 decibel a 40 decibel, inserendo nella linea di mandata lo stabilizzatore-smorzatore di pressione.
Controllo servo-proporzionale: per ogni
pinna stabilizzatrice, l’impianto oleodinamico dispone di un controllo servo proporzionale costituito da un blocco valvole
con la valvola proporzionale ad alta risposta dinamica; nella linea di mandata a monte del blocco valvole, è inserito un filtro in
pressione e un accumulatore precaricato a
membrana.
Fig. 6 – Filtro in pressione.
E’ composto da un corpo
metallico contenente
l’elemento filtrante in
materiale sintetico con
grado di filtraggio di 10
micron assoluti.
Fig. 7 – Accumulatore
precaricato a
membrana Bosch
Rexroth, con blocco
valvola di sicurezza;
capacità di circa 1,5 litri
con precarica in azoto a
una pressione di 90 bar.
Pressione massima del
blocco di sicurezza 250
bar. Peso circa 10 Kg.
Fig. 5 – Schema con dimensioni della pompa a portata variabile.
Fig. 8 – Particolare quotato dell’accumulatore
precaricato a membrana; le misure sono in mm.
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APPLICAZIONI
Fig. 9b – Particolare quotato del Gruppo valvole; le misure sono in mm.
Fig. 9a – Blocco valvole progettato da CMC
Marine e realizzato da Bosch Rexroth, con
integrata la valvola proporzionale direzionale
a 4 posizioni.
Il filtro in pressione: (fig. 6) è costituito da
un corpo metallico contenente l’elemento filtrante in materiale sintetico che assicura un
grado di filtraggio di 10 micron assoluti. Per
indicare lo stato di pulizia della cartuccia filtro, il corpo filtrante è dotato di un indicatore elettrico di intasamento. Inserito sulla
linea di mandata a monte del gruppo valvole, protegge dalle impurità contenute nell’olio, le valvole e i raffinati organi meccanici
della valvola proporzionale, oltre alle tenute
dei cilindri dell’attuatore a valle.
Accumulatore precaricato a membrana:
(figg. 7 e 8) inserito a monte del blocco valvole, assicura una riserva di portata d’olio
localizzata e istantanea, indispensabile per
garantire, durante il funzionamento all’ancora in modalità di regolazione impulsiva,
una adeguata velocità di azionamento della pinna stabilizzatrice. Quando la pressione cala per un picco di richiesta di portata,
l’accumulatore si scarica automaticamente,
immettendo istantaneamente nell’impianto il volume d’olio in un intervallo di tempo sufficiente per rispettare la risposta dinamica richiesta dall’impianto, durante una
regolazione di tipo impulsivo delle pinne.
I test effettuati in laboratorio e in collaborazione con l’Università di Napoli, hanno
accertato che l’utilizzo dell’accumulatore
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Oleodinamica Pneumatica - novembre 2010
aumenta più del 10% la dinamica dell’impianto, innalzando la velocità angolare delle pinne fino a raggiungere i 55 gradi al secondo, migliorando in modo significativo
le prestazioni richieste per stabilizzare uno
scafo all’ancora, con una regolazione impulsiva. L’accumulatore è precariato con azoto
a una pressione di 90 bar e ha una capacità
di circa 1,5 litri.
Blocco valvole: (figg. 9a e 9b) il blocco valvole è il cuore del controllo servo proporzionale che regola e controlla intensità e portata del flusso d’olio inviato ai cilindri dell’attuatore della pinna, con una dinamica che
dipende dai segnali elettrici di riferimento
inviati dal controllore elettronico. Si tratta
quindi di un insieme di valvole, ognuna delle quali assolve funzioni specifiche dell’impianto.
Il blocco valvole è realizzato da Bosch
Rexroth su progetto di CMC Marine. Utilizza componentistica standard, ed è costruito con un blocco in acciaio fosfatato, per
garantire una buona resistenza agli agenti
ambientali.
I principali componenti del blocco valvole sono:
– Valvola di massima che manda a scarico le
bocche delle linee d’utilizzo A e B (connesse ai
cilindri) in caso di sovrapressioni dovuti a urti. Questa valvola quindi protegge sia i cilindri
oleodinamici che il blocco stesso.
– Elettrovalvola per il comando dei ritegni pilotati. I ritegni a impianto spento assicurano il
bloccaggio della pinna in posizione.
– Elettrovalvola di by_pass; la funzione della
valvola è di sicurezza. Infatti quando eccitata elettricamente la valvola mette in comunicazione i due rami dei cilindri: in tal modo la
pinna è libera di mettersi in flusso e non oppone una resistenza aggiuntiva al moto dell’imbarcazione. Ovviamente a impianto spento le
valvole ritegni pilotati assicurano il corretto
isolamento dei cilindri.
– Valvola proporzionale direzionale a 4 posizioni a elevata dinamica. In condizione d’impianto spento la posizione della valvola mette
a scarico le bocche d’utilizzo A e B; in tal modo
non vi è pericolo di una contropressione residua che non consentirebbe la tenuta in posizione della pinna. La valvola proporzionale
è fornita con elettronica integrata pretarata.
– Prese di pressione sui rami P, e sulle linee
d’utilizzo A e B. Le prese di pressione consentono di monitorare l’andamento delle pressioni sia di linea che ai cilindri oleodinamici. E’
importante rendere possibile l’accesso al blocco affinché, sia in fase di avviamento che soprattutto in fase di verifica della funzionalità
del sistema, sia consentito un rapido e agile
accesso per effettuare le dovute misure.
Il gruppo valvole sviluppato da CMC è caratterizzato da luci maggiorate per il passaggio
dell’olio, che permettono una riduzione delle
perdite di carico e di conseguenza una diminuzione delle dissipazioni in calore. In questo
modo è possibile mantenere la temperatura a
livelli più bassi, a favore del buon funziona■
mento dell’impianto.»
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